ઊર્જા સંરક્ષણનો કાયદો

આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્ર ગતિ સાથે સંકળાયેલી ઊર્જાના ઘણા પ્રકારો અથવા વિવિધ પ્રકારના ભૌતિક શરીર અથવા કણોની વિવિધ પરસ્પર ગોઠવણીને જાણે છે, ઉદાહરણ તરીકે, કોઈપણ ગતિશીલ શરીરમાં ગતિશીલ ઊર્જા તેના વેગના વર્ગના પ્રમાણમાં હોય છે. જો શરીરની ગતિ વધે કે ઘટે તો આ ઉર્જા બદલાઈ શકે છે. જમીનની ઉપર ઉભેલા શરીરમાં ગુરુત્વાકર્ષણ સંભવિત ઊર્જા હોય છે જે શરીરની ઊંચાઈમાં ત્રણ ફેરફારો કરે છે.

સ્થિર ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ જે એકબીજાથી થોડે દૂર હોય છે તે હકીકત અનુસાર ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક સંભવિત ઉર્જા ધરાવે છે કે, કુલોમ્બના નિયમ અનુસાર, ચાર્જ કાં તો આકર્ષે છે (જો તે જુદા જુદા ચિહ્નોના હોય) અથવા બળ વડે ભગાડે છે જે તેના વર્ગના વિપરીત પ્રમાણમાં હોય છે. તેમની વચ્ચેનું અંતર.

ગતિ અને સંભવિત ઉર્જા પરમાણુઓ, અણુઓ અને કણો, તેમના ઘટકો - ઈલેક્ટ્રોન, પ્રોટોન, ન્યુટ્રોન વગેરે દ્વારા ધરાવે છે. યાંત્રિક કાર્યના સ્વરૂપમાં, વિદ્યુત પ્રવાહના પ્રવાહમાં, ગરમીના સ્થાનાંતરણમાં, શરીરની આંતરિક સ્થિતિમાં ફેરફારમાં, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોના પ્રસારમાં, વગેરે.

100 થી વધુ વર્ષો પહેલા, ભૌતિકશાસ્ત્રનો મૂળભૂત કાયદો સ્થાપિત કરવામાં આવ્યો હતો, જે મુજબ ઊર્જા અદૃશ્ય થઈ શકતી નથી અથવા કંઈપણમાંથી ઊભી થઈ શકતી નથી. તેણી ફક્ત એક પ્રકારમાંથી બીજામાં બદલી શકે છે…. આ કાયદાને ઊર્જા સંરક્ષણનો કાયદો કહેવામાં આવે છે.

એ. આઈન્સ્ટાઈનના કાર્યોમાં, આ કાયદો નોંધપાત્ર રીતે વિકસિત થયો છે. આઈન્સ્ટાઈને ઊર્જા અને સમૂહની વિનિમયક્ષમતા સ્થાપિત કરી અને તેના દ્વારા ઊર્જાના સંરક્ષણના કાયદાના અર્થઘટનનો વિસ્તાર કર્યો, જેને હવે સામાન્ય રીતે ઊર્જા અને સમૂહના સંરક્ષણના કાયદા તરીકે કહેવામાં આવે છે.

આઈન્સ્ટાઈનના સિદ્ધાંત અનુસાર, શરીરની ઊર્જા dE માં કોઈપણ ફેરફાર dE = dmc2 સૂત્ર દ્વારા તેના સમૂહ dm માં ફેરફાર સાથે સંબંધિત છે, જ્યાં c એ 3 x 108 Miss ની બરાબર શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશની ગતિ છે.

આ સૂત્રમાંથી, ખાસ કરીને, તે અનુસરે છે કે જો, અમુક પ્રક્રિયાના પરિણામે, પ્રક્રિયામાં સામેલ તમામ શરીરના સમૂહમાં 1 ગ્રામનો ઘટાડો થાય છે, તો 9 × 1013 J જેટલી ઊર્જા, જે 3000 ટન જેટલી છે. પ્રમાણભૂત બળતણ.

પરમાણુ પરિવર્તનના વિશ્લેષણમાં આ ગુણોત્તર પ્રાથમિક મહત્વના છે. મોટાભાગની મેક્રોસ્કોપિક પ્રક્રિયાઓમાં, સમૂહમાં ફેરફારની અવગણના કરી શકાય છે અને માત્ર ઊર્જાના સંરક્ષણના કાયદાની વાત કરી શકાય છે.

ચાલો કેટલાક નક્કર ઉદાહરણ પર ઊર્જાના પરિવર્તનને શોધીએ. લેથ (ફિગ. 1) પર કોઈપણ ભાગ બનાવવા માટે જરૂરી ઊર્જા રૂપાંતરણોની સમગ્ર સાંકળને ધ્યાનમાં લો. ચાલો પ્રારંભિક ઉર્જા 1, જેનો જથ્થો આપણે 100% તરીકે લઈએ છીએ, તે ચોક્કસ માત્રામાં અશ્મિભૂત બળતણના સંપૂર્ણ દહનને કારણે પ્રાપ્ત થાય છે. તેથી, અમારા ઉદાહરણ તરીકે, પ્રારંભિક ઉર્જાનો 100% બળતણના દહનના ઉત્પાદનોમાં સમાયેલ છે, જે ઊંચા (લગભગ 2000 K) તાપમાને છે.

પાવર પ્લાન્ટના બોઈલરમાં કમ્બશનના ઉત્પાદનો, જ્યારે ઠંડુ થાય છે, ત્યારે તેમની આંતરિક ઊર્જા પાણી અને પાણીની વરાળમાં ગરમીના સ્વરૂપમાં છોડી દે છે. જો કે, તકનીકી અને આર્થિક કારણોસર, દહન ઉત્પાદનોને આસપાસના તાપમાને ઠંડુ કરી શકાતું નથી. તેઓ લગભગ 400 K તાપમાને વાતાવરણમાં ટ્યુબ દ્વારા બહાર કાઢવામાં આવે છે, તેમની સાથે કેટલીક મૂળ ઉર્જા લઈ જાય છે. તેથી, પ્રારંભિક ઉર્જાના માત્ર 95% જ પાણીની વરાળની આંતરિક ઊર્જામાં સ્થાનાંતરિત થશે.

પરિણામી પાણીની વરાળ સ્ટીમ ટર્બાઇનમાં પ્રવેશ કરશે, જ્યાં તેની આંતરિક ઊર્જા શરૂઆતમાં આંશિક રીતે સ્ટીમ સ્ટ્રીંગ્સની ગતિ ઊર્જામાં રૂપાંતરિત થાય છે, જે પછી ટર્બાઇન રોટરમાં યાંત્રિક ઊર્જા તરીકે પ્રસારિત થશે.

વરાળ ઉર્જાના માત્ર એક ભાગને જ યાંત્રિક ઉર્જામાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે. જ્યારે કન્ડેન્સરમાં વરાળ ઘટ્ટ થાય છે ત્યારે બાકીનું ઠંડુ પાણીને આપવામાં આવે છે. અમારા ઉદાહરણમાં, અમે ધારીએ છીએ કે ટર્બાઇન રોટરમાં ટ્રાન્સફર થતી ઊર્જા લગભગ 38% હશે, જે આધુનિક પાવર પ્લાન્ટ્સની સ્થિતિને લગભગ અનુરૂપ છે.

જ્યારે કહેવાતા કારણે યાંત્રિક ઊર્જાને વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે જનરેટરના રોટર અને સ્ટેટર વિન્ડિંગ્સમાં જૌલની ખોટ લગભગ 2% ઊર્જા ગુમાવશે. પરિણામે, પ્રારંભિક ઉર્જાનો લગભગ 36% ગ્રીડમાં જશે.

ઇલેક્ટ્રિક મોટર લેથને ફેરવવા માટે તેને પૂરી પાડવામાં આવતી વિદ્યુત ઊર્જાના માત્ર એક ભાગને યાંત્રિક ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરશે. અમારા ઉદાહરણમાં, મોટર વિન્ડિંગ્સમાં જૌલ હીટના સ્વરૂપમાં લગભગ 9% ઊર્જા અને તેના બેરિંગ્સમાં ઘર્ષણયુક્ત ગરમી આસપાસના વાતાવરણમાં છોડવામાં આવશે.

આમ, પ્રારંભિક ઉર્જાનો માત્ર 27% જ મશીનના કાર્યકારી અંગોને પહોંચાડવામાં આવશે. પરંતુ ઊર્જા દુર્ઘટનાઓ ત્યાં પણ સમાપ્ત થતી નથી. તે તારણ આપે છે કે ભાગની મશીનિંગ દરમિયાન મોટાભાગની ઊર્જા ઘર્ષણ પર ખર્ચવામાં આવે છે અને ગરમીના સ્વરૂપમાં તે પ્રવાહીથી દૂર કરવામાં આવે છે જે ભાગને ઠંડુ કરે છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, પ્રારંભિક ઊર્જાનો માત્ર ખૂબ જ નાનો અપૂર્ણાંક (અમારા ઉદાહરણમાં, 2% ધારવામાં આવે છે) મૂળ ભાગનો ઇચ્છિત ભાગ મેળવવા માટે પૂરતો હશે.

ચોખા. 1. લેથ પર વર્કપીસની પ્રક્રિયા દરમિયાન ઊર્જા પરિવર્તનનો આકૃતિ: 1 — એક્ઝોસ્ટ વાયુઓ સાથે ઉર્જાનું નુકસાન, 2 — દહન ઉત્પાદનોની આંતરિક ઊર્જા, 3 — કાર્યકારી પ્રવાહીની આંતરિક ઊર્જા — પાણીની વરાળ, 4 — ઠંડકમાંથી મુક્ત થતી ગરમી ટર્બાઇન કન્ડેન્સરમાં પાણી, 5 — ટર્બાઇન જનરેટરના રોટરની યાંત્રિક ઊર્જા, 6 — ઇલેક્ટ્રિક જનરેટરમાં નુકસાન, 7 — મશીનની ઇલેક્ટ્રિકલ ડ્રાઇવમાં કચરો, 8 — મશીનના પરિભ્રમણની યાંત્રિક ઊર્જા, 9 — ઘર્ષણ કાર્ય, જે ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે, પ્રવાહીથી અલગ પડે છે, ઠંડકનો ભાગ, 10 - પ્રક્રિયા પછી ભાગ અને ચિપ્સની આંતરિક ઊર્જામાં વધારો કરે છે ...

વિચારણા હેઠળના ઉદાહરણમાંથી ઓછામાં ઓછા ત્રણ ખૂબ જ ઉપયોગી તારણો કાઢી શકાય છે, જો તેને એકદમ લાક્ષણિક ગણવામાં આવે.

સૌપ્રથમ, ઉર્જા રૂપાંતરણના દરેક પગલા પર તેમાંથી કેટલાક ખોવાઈ જાય છે... આ વિધાનને ઊર્જા સંરક્ષણના કાયદાના ઉલ્લંઘન તરીકે ન સમજવું જોઈએ. તે ઉપયોગી અસરને કારણે ખોવાઈ જાય છે જેના માટે અનુરૂપ રૂપાંતરણ કરવામાં આવે છે. રૂપાંતરણ પછી ઊર્જાનો કુલ જથ્થો યથાવત રહે છે.

જો ઉર્જા રૂપાંતર અને સ્થાનાંતરણની પ્રક્રિયા ચોક્કસ મશીન અથવા ઉપકરણમાં થાય છે, તો આ ઉપકરણની કાર્યક્ષમતા સામાન્ય રીતે કાર્યક્ષમતા (કાર્યક્ષમતા) દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે... આવા ઉપકરણનો આકૃતિ અંજીરમાં બતાવવામાં આવ્યો છે. 2.

ચોખા. 2. ઊર્જાનું રૂપાંતર કરતા ઉપકરણની કાર્યક્ષમતા નક્કી કરવા માટેની યોજના.

આકૃતિમાં દર્શાવેલ સંકેતનો ઉપયોગ કરીને, કાર્યક્ષમતાને કાર્યક્ષમતા = Epol/Epod તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે.

તે સ્પષ્ટ છે કે આ કિસ્સામાં, ઉર્જા સંરક્ષણના કાયદાના આધારે, ઇપોડ = ઇપોલ + ઇપોટ હોવું આવશ્યક છે.

તેથી, કાર્યક્ષમતા નીચે પ્રમાણે પણ લખી શકાય છે: કાર્યક્ષમતા = 1 — (Epot / Epol)

FIG માં બતાવેલ ઉદાહરણ પર પાછા ફરવું. 1, આપણે કહી શકીએ કે બોઈલરની કાર્યક્ષમતા 95% છે, વરાળની આંતરિક ઉર્જાને યાંત્રિક કાર્યમાં રૂપાંતરિત કરવાની કાર્યક્ષમતા 40% છે, ઇલેક્ટ્રિક જનરેટરની કાર્યક્ષમતા 95% છે, કાર્યક્ષમતા છે — એનું ઇલેક્ટ્રિક ડ્રાઇવ મશીન - 75%, અને વર્કપીસની વાસ્તવિક પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતા લગભગ 7% છે.

ભૂતકાળમાં, જ્યારે ઉર્જા પરિવર્તનના નિયમો હજુ સુધી જાણીતા નહોતા, ત્યારે લોકોનું સ્વપ્ન એક કહેવાતા શાશ્વત ગતિ મશીન બનાવવાનું હતું - એક ઉપકરણ જે ઊર્જાનો ખર્ચ કર્યા વિના ઉપયોગી કાર્ય કરશે. આવા કાલ્પનિક એન્જિન, જેનું અસ્તિત્વ ઉર્જા સંરક્ષણના કાયદાનું ઉલ્લંઘન કરશે, તેને આજે પ્રથમ પ્રકારનું કાયમી ગતિ મશીન કહેવામાં આવે છે, બીજા પ્રકારના શાશ્વત ગતિ મશીનની વિરુદ્ધ. આજે, અલબત્ત, કોઈ લેતું નથી. ગંભીરતાપૂર્વક પ્રથમ પ્રકારની કાયમી ગતિ મશીન બનાવવાની શક્યતા.

બીજું, તમામ ઉર્જાનું નુકસાન આખરે ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે, જે કાં તો વાતાવરણીય હવામાં અથવા કુદરતી જળાશયોમાંથી પાણીમાં છોડવામાં આવે છે.

ત્રીજું, લોકો પ્રાથમિક ઊર્જાના માત્ર એક નાના અંશનો ઉપયોગ કરે છે જે સંબંધિત ફાયદાકારક અસર મેળવવા માટે ખર્ચવામાં આવે છે.

ઊર્જા પરિવહન ખર્ચને જોતા આ ખાસ કરીને સ્પષ્ટ થાય છે. આદર્શ મિકેનિક્સમાં, જે ઘર્ષણ બળોને ધ્યાનમાં લેતા નથી, આડી વિમાનમાં લોડને ખસેડવા માટે કોઈ ઊર્જાની જરૂર નથી.

વાસ્તવિક પરિસ્થિતિઓમાં, વાહન દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાતી તમામ ઊર્જાનો ઉપયોગ ઘર્ષણ બળો અને હવા પ્રતિકાર દળોને દૂર કરવા માટે થાય છે, એટલે કે, આખરે, પરિવહનમાં વપરાશમાં લેવાયેલી બધી ઊર્જા ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. આ સંદર્ભમાં, નીચેના આંકડા રસપ્રદ છે, જે વિવિધ પ્રકારના પરિવહન સાથે 1 કિમીના અંતરે 1 ટન કાર્ગો ખસેડવાના કાર્યને દર્શાવે છે: વિમાન — 7.6 kWh / (t-km), કાર — 0.51 kWh / ( t- km), ટ્રેન-0.12 kWh / (t-km).

આમ, રેલ કરતાં 60 ગણા વધુ ઉર્જા વપરાશના ખર્ચે હવાઈ પરિવહન સાથે સમાન ફાયદાકારક અસર પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. અલબત્ત, ઉચ્ચ ઉર્જાનો વપરાશ સમયની નોંધપાત્ર બચત આપે છે, પરંતુ તે જ ઝડપે (કાર અને ટ્રેન) પણ ઊર્જા ખર્ચ 4 ગણો અલગ પડે છે.

આ ઉદાહરણ સૂચવે છે કે લોકો અન્ય ધ્યેયો, ઉદાહરણ તરીકે આરામ, ઝડપ વગેરે હાંસલ કરવા માટે ઘણીવાર ઊર્જા કાર્યક્ષમતા સાથે ટ્રેડ-ઓફ કરે છે. એક નિયમ તરીકે, પ્રક્રિયાની ઉર્જા કાર્યક્ષમતા પોતે જ અમને ઓછી રસ ધરાવતી નથી — સામાન્ય તકનીકી અને પ્રક્રિયાઓની કાર્યક્ષમતાનું આર્થિક મૂલ્યાંકન મહત્વપૂર્ણ છે... પરંતુ જેમ જેમ પ્રાથમિક ઉર્જા ઘટકોની કિંમત વધે છે તેમ તેમ ટેકનિકલ અને આર્થિક મૂલ્યાંકનમાં ઉર્જા ઘટક વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બનતું જાય છે.